发动机无凸轮轴气门驱动的研究与进展.pdf

·综合评述· 发动机无凸轮轴气门驱动的研究与进展 李红艳 , 赵雨东 (清华大学汽车安全与节能国家重点实验室 , 北京 　100084) 　　摘要 : 阐述了在发动机上以电磁、电液、电气或其他方式驱动气门 ,实现无凸轮轴气门驱动 ,可以灵活改变气门 正时 ,简化发动机结构 ,能有选择地闭缸 ,灵活改变发动机有效压缩比以适应多种燃料要求 ,使发动机获得比采用 一般可变气门驱动更多的好处。无凸轮轴气门驱动的主要问题是响应速度不够高、气门落座冲击、能耗过高以及 驱动系统复杂昂贵。目前无凸轮轴气门驱动还未达到大规模实用化的程度。 　　关键词 : 发动机 ; 可变气门驱动 ; 气门机构 　　中图分类号 : TK413. 4 　　文献标识码 : A 　　文章编号 : 1001 - 2222 (2001) 02 - 0001 - 05 　　汽车发动机采用可变气门驱动 ,使气门正时、气 门开启延续时间、气门升程随发动机的工况变化 ,可 以改善怠速稳定性 ,增加低速下外特性扭矩 ,改善部 分负荷燃油经济性和降低有害排放。长期以来 ,人 们提出了包括无凸轮轴气门驱动在内的数以千计的 可变气门驱动机构方案 ,并对采用可变气门驱动的 好处进行了广泛研究。目前 ,已有几种基于传统气 门驱动方式的可变气门驱动机构用于批量生产的汽 车发动机上 ,同时取代传统气门驱动的无凸轮轴气 门驱动机构也已从纯实验室研究进入了在汽车发动 机上装机试用的发展阶段。 无凸轮轴气门驱动 (camshaftless valve actuation) 就是取消发动机传统气门机构中的凸轮轴及其从动 件 ,而以电磁、电液、电气或其他方式驱动气门。采 用无凸轮轴气门驱动 ,除了和其他可变气门驱动一 样 ,能使发动机在燃油经济性、动力性和降低排放等 方面得到好处外 ,还有一些特别的好处。当然 ,无凸 轮轴气门驱动的每种方案也都有各自的问题。本文 对近年来进行的无凸轮轴气门驱动研究进行了归纳 和分析。 1 　采用无凸轮轴气门驱动的特别好处 1) 能灵活地、单独地控制进排气门开启及关闭 4 个定时中的任一定时及气门开启延续时间 ,使发 动机每一工况的这些参数都符合最佳性能要求 ;而 有凸轮轴的可变气门正时机构实现的气门正时和气 门开启延续时间一般只能按驱动机构的运动学关系 同时变化而不能独立变化。因此 ,采用无凸轮轴气 门驱动在改善发动机性能方面可获得更好的效果。 2) 简化了发动机的结构 ,降低了发动机的加工 成本和质量 ;气门可根据燃烧室的型式来布置 ,不必 布置在与凸轮轴中心线垂直的平面上 ,气门布置的 灵活性可能导致设计出新的更有利于发动机工作的 燃烧室型式。 3) 每个气门单独驱动 (旋转气门除外) ,因此容 易实现依次停缸 ,使发动机处于较低燃油消耗率的 工作状态 ,降低使用油耗。 4) 可通过实时改变进气晚关角来改变多种燃 料发动机的有效压缩比 ,以适应不同燃料的要求[1 ] 。 2 　电磁气门驱动 2. 1 　基本情况和工作原理 电磁气门驱动 (electromagnetic valve actuation) 是 利用电磁铁产生的电磁力驱动气门。早期试验的电 磁气门驱动装置中没有起能量回收作用的弹簧或只 有回收部分能量的单弹簧 ,导致能耗过大并有严重 的气门落座冲击。现在已很少有人研究这一类方案 了。Aura Systems 公司、FEV 公司和通用汽车公司分 别提出了工作原理基本相同的采用双弹簧双电磁铁 气门驱动方案 (见图 1) ,并进行了多年的研究[1～5 ] 。 目前 ,Aura Systems 和 FEV 的电磁气门驱动机构已经 装车试用。 　　电磁气门驱动机构主要由两个相同的电磁铁 ( 共用一个衔铁) 、两个相同的弹簧和气门组成。发 　　收稿日期 : 2000 - 11 - 01 ; 修回日期 : 2000 - 12 - 15 　　作者简介 : 李红艳 (1974 - ) ,男 ,湖北省武汉市人 ,1998 年毕业于西安交通大学 ,现在清华大学汽车工程系读研究生 ,研究方向为发动机可 变气门驱动技术. 第 2 期 (总第 132 期) 2001 年 4 月 　　　 　　　　　　　　　　　　　 车 　用 　发 　动 　机 VEHICLE ENGINE 　　　　　　　　　　　　　　 No. 2 (Serial No. 132) Apr. 2001 图 1 　电磁气门驱动原理 动机不工作时 ,激磁线圈 1 和线圈 2 均不通电 ,气门 半开半闭 ;发动机启动时 ,气门驱动装置初始化 ,控 制系统根据曲轴转角判定气门在这一时刻应有的 开、关状态 ,使线圈 1 或线圈 2 通电 ,电磁力克服弹 簧力 ,将气门关闭或开启。气门处于开启状态时 ,线 圈 1 不通电 ,线圈 2